VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Частица, которая может изменить представление о современной вселенной
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Попытка понять Вселенную – одна из очень немногих вещей, которые чуть приподнимают человеческую жизнь над уровнем фарса и придают ей оттенок высокой трагедии.
Стивен Вайнберг
Каждая ничтожная пылинка может стать центром Вселенной.
Актуальность работы
Бозон Хиггса- частица, которая открыла нам двери к пониманию Вселенной. Актуальность заключатся в том, что именно открытие этой частицы, продвинуло нас на шаг вперёд и дало толчок к дальнейшим открытиям.
О важности открытия можно судить по высказываниям МартинусаВелтмана, который в свое время заявил, что до обнаружения Бозона Хиггса в рамках Стандартной модели сделать больше ничего нельзя. Без этой адской частицы, наука не могла идти вперёд в данной сфере и открывать что-то новое. Если бы гипотеза о Бозоне Хиггса оказалась ошибочной, то все теории, которые объясняют существование мироздания, пришлось бы координальным образом пересмотреть.
Цель исследовательской работы:
Проанализировать и изучить открытую частицу, для определения её практического применения.
Выявились и общие задачи в работе:
-углубить знания в области физики элементарных частиц
-изучить новую частицу
-проанализировать на что же способен Бозон Хиггса
Новизна работы
Я попыталась обстоятельно изучить имеющуюся литературу по теме исследования, рассмотреть существующие точки зрения. Новый объект исследования (Бозон Хиггса- частица Бога), т.е. задача поставлена и рассматривается мною впервые.
II. Основная часть
Согласно нашим представлениям, Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем возникла 13,77±0,059 млрд лет назад из начального сингулярного состояния и начиная с того момента непрерывно охлаждается и расширяется.
(приложение 1)
Согласно Теории Большого Взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, то эволюция в дальнейшем зависит от средней плотности вещества в современной Вселенной. В случае, если плотность не выше критического значения(о котором высказано в теории), процесс расширения будет длиться непрерывно, но если это критическое значение будет превышено плотностью, начнётся обратный процесс сжатия. Вселенная вернётся к начальному сингулярному состоянию. Как известно, сейчас средняя плотность в пределах экспериментальной погрешности равна критической.
Конечно, есть вопросы на которые Теория Большого Взрыва ответить не может даже сейчас.
Многие учёные имеют разные точки зрения о возникновении видимой части вселенной
Так, по мнению Стивена Хокинга, Лоуренса Краусса и Майкла Мартина, Вселенная возникла из абсолютного вакуума, с помощью «квантовых флуктуаций», то есть посредством флуктуации энергии единиц объёма вакуума, связанных с рождением и уничтожением виртуальных частиц.
А. Линде считает, что Вселенная не имеет конца и заполнена плотной энергией, а наша видимая часть возникла с помощью инфляции некоторой части в «пузырёк».
По мнению Ли Смолина, Вселенная возникла от взрыва «сингулярности» внутри чёрных дыр.
Теория Большого Взрыва может достоверно описать весь процесс возникновения Вселенной, за исключением начального этапа, сотой доли секунды от «начала мира».
О существовании элементарных частиц, не было известно вплоть до середины ХХ века.
Их обнаружение произошло при исследовании ядерных процессов. Физика элементарных частиц исследует природу, свойства и превращения элементарных частиц.
Мысль о существовании мельчайших невидимых частиц была высказана за 400 лет до нашей эры, греческим философом Демокритом. Этим частицам он дал название «атомы».
Но в 1911 году Э. Розерфордом было открыто атомное ядро и доказано, что атомы все же имеют сложное строение.
В 1905 году Альбертом Эйнштейном были открыты «фотоны»- кванты электромагнитного поля.
В 1919 году Розерфорд открыл протоны, в процессе расщепления ядер атомов
В 1932 году была открыта положительно заряженная частица «позитрон», она имела ту же массу и заряд, что и электрон. Открыл её К. Андерсон, в космических лучах. Существование позитрона было предсказано в 1928 году П. Дираком.
В 1937 году были открыты частицы массой 207 электронных масс, их назвали мюонами. Обнаружили в космических лучах.
После чего в 1947-1950 годах были открыты пионы, по современным представлениями осуществляющие взаимодействие между нуклонами в ядре.
В последующие годы число открытых частиц стало расти, благодаря исследованиям космических лучей, развитию ускорительной техники и изучению ядерных реакций.
(приложение 1)
Из 400 субъядерных частиц наибольшее количество являются нестабильными. Только фотон, электрон, протон и нейтрино, являются исключением (приложение 1).
Остальные частицы через определённый промежуток времени самопроизвольно превращаются в другие частицы. Нестабильные частицы отличаются друг от друга по временам жизни. Нейтрон является наиболее долгоживущей частицей. Его время жизни составляет порядка 15 минут. Другие частицы существуют меньшее время. Например, средняя продолжительность жизни мюона равна 2,2•10-6 степени секунд, а пиона 0,87•10-16 степени секунд.
В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжёлых частиц, то есть векторных бозонов W+, W- и Z. Такие частицы обуславливают слабый механизм обменного взаимодействия.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и андроны.
В настоящее время доказано, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при огромных энергиях частиц, непостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате Большого взрыва. Большой взрыв произошёл около 13,7 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц Е=kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. По мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие, а затем сильное взаимодействие отделилось отэлектрослабого. При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. На ряду с этими процессами, происходило формирование более сложных форм материи-нуклонов, лёгких ядер, атомов и т.д.
1964 год.
В октябре, английский физик Питер Хиггс публикует статью, в которой предсказывает частицу, которая после получит его имя . Но ещё до него, в августе, показывают, как может работать механизм образования массы, бельгийцами Робертом Браутом и Франсуа Энглером. В ноябре независимо от всех ещё одна группа, которую составили американцы ДикХаген, ДжеральдГуральник и британец Том Киббл, выступает с аналогичными идеями.
Перед наградным комитетом встаёт трудная задача, так как нобелевскую премию разрешается разделить только между тремя луреатами.
1995 год.
Хотя бозон Хиггса ещё не обнаружен, но уже есть доказательства работы соответствующего механизма в рамках Стандартной модели, что позволяет сделать ряд успешных предсказаний, также относительно самой тяжёлой из известных частиц — t-кварка. С помощью «Теватрона» Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, его удаётся обнаружить в области 176 ГэВ — как и было предсказано.
2001 год.
До Большого адронногоколлайдера (БАК) у Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) имелся Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), который пять лет искал бозон Хиггса с массой около 80 ГэВ, до того момента, пока не закрылся в 2000 году. Анализ результатов, который опубликовали в 2001-м году, показал, что масса частицы превышает 115 ГэВ.
2004 год.
В промежутке между закрытием LEP и включением БАК бозон Хиггса могли обнаружить в Чикаго. Данные «Теватрона» поместили бозон Хиггса выше 117 ГэВ (чуть выше досягаемости LEP) с верхним пределом 251 ГэВ.
2007 год.
Эксперименты снижают верхний предел до 153 ГэВ. Так как, БАК способен сталкивать частицы на более высоких энергиях, чем любой предыдущий ускоритель, он мог вывести из борьбы «Теватрон», но более лёгкий бозон увеличивает шансы Чикаго.
2008 год.
В Большомадронномколлайдере начинает циркулировать пучки протонов. В жёлтой прессе — истерия по поводу того, что БАК приведёт к созданию чёрной дыры. После долгого перерыва CERN снова включается в погоню за «частицей Бога», но вскоре утечка газа вынуждает учёных отключить ускоритель до следующего года.
2009 год.
До ноября БАК стоит, в то время как «Теватрон» продолжает работу. Чикаго выступает с заявлением о 50% шансах найти бозон до конца 2010 года.
2010 год.
Журналисты взволнованы слухами о сигнале на «Теватроне». Но они оказываются ложными.
2011 год.
В апреле слухи вспыхивают с новой силой из-за попадания в Интернет ещё не проанализированных результатов исследования на Большом адронномколлайдере. В сентябре «Теватрон» выключается, не сумев найти бозон Хиггса. В конце года анализ экспериментов ATLAS и CMS намекает на то, что бозон находится где-то в районе 125 ГэВ. После чего напряжение нарастает.
2012 год.
В феврале БАК увеличивает энергию столкновений с семи до восьми тераэлектронвольт, повышая вероятность обнаружения бозона на 30–40%. В марте данные последнего вздоха «Теватрона» помещают бозон между 115 и 152 ГэВ...
(приложение 1)
Итак, физиками обнаружена новая элементарная частица. Параметры частицы согласуются с параметрами гипотетического бозона Хиггса, однако пока об открытии этого бозона речи не идет. По утверждению самих физиков, им предстоит еще многое проверить. Предполагаемая масса новой частицы - чуть более 125 гигаэлектронвольт.
Четвёртого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для физики: на семинаре в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) было объявлено об открытии новой частицы, которая, как осторожно заявляют авторы открытия, по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Стандартной модели физики элементарных частиц. Его обычно называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идёт об открытии одного из главных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира.
Известно, что большинство элементарных частиц могут распадаться, превращаться друг в друга, «реагировать» между собой — это совершенно обычное для них явление. Чтобы узнать, как они устроены, нужно столкнуть их лоб в лоб на скорости, близкой к скорости света, и посмотреть на продукты соударений. Для решения этой научной задачи требовалось построить мощный ускоритель. Идея проекта с грандиозным названием «Большой адронныйколлайдер» появилась ещё в 1984 году, но его строительство началось семнадцать лет спустя. Коллайдер, и правда, очень большой: длина его 27-километрового кольца располагается в глубоком тоннеле под территорией двух государств — Швейцарии и Франции. В этом кольце производится столкновение протонов, которые по Стандартной модели являются вовсе не фундаментальными частицами, а составными, так как внутри них находятся три кварка, скреплённые друг с другом глюонным «раствором». Соударение на высоких энергиях разрушают «раствор», и кварки с глюонами уходят в свободный полёт, также сталкиваясь и взаимодействуя между собой. Рождение бозона Хиггса имеет четыре основных канала: слияние двух глюонов, слияние WW и ZZ бозонов, появление вместе с W и Z бозоном или рождение одновременно с t-кварками. На Большомадронномколлайдере есть четыре детектора, два из которых — ATLAS и CMS — предназначены для изучения распада частиц на высоких энергиях. С помощью этих детекторов и был обнаружен бозон Хиггса. Оказалось, что его масса составляет 125 ГэВ (гигаэлектронвольт).
Открыли хиггсовский бозон, изучая распады бозона Хиггса на два фотона и распады бозона Хиггса на 4 частицы: либо две пары электрон-позитрон, либо пары электрон-позитрон плюс мюон-антимюон, либо четыре мюона. Это редкие процессы. Предсказывается, что из тысячи распадов бозона Хиггса происходит всего два на 2 фотона, ну а процессы рождения четырех легких частиц – электронов или мюонов - вообще очень редки: должен происходить один такой распад из десяти тысяч. Но другие распады гораздо труднее обнаружить экспериментально.
Характерный пример – это распад бозона Хиггса на два фотона. Если на него повнимательнее посмотреть и воспользоваться законом сохранения энергии, законом сохранения импульса, то выясняется, что некая комбинация импульсов разлетающихся фотонов и угла разлета этих фотонов должна быть в точности равна массе этого бозона Хиггса. Опять же считаем, что с (скорость света) =1.
Конечно, на Большомадронномколлайдере происходит рождение фотонных пар и без всякого бозона Хиггса. Есть множество процессов, которые приводят к такому рождению, но ожидается, что таких фотонных пар, для которых эта комбинация импульсов и углов равна массе бозона Хиггса, должно быть больше, чем любых других. Это и видно.
Бозон Хиггса – это такая элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Поле Хиггса создает частицы, называемые бозонами Хиггса. Теорией их масса не оговаривается, но в результате эксперимента было определено, что она равна 125 ГэВ. Бозон Хиггса своим существованием окончательно подтвердил Стандартную модель. Механизм, поле и бозон носят имя британского ученого Питера Хиггса. Хотя он и не был первым, кто предложил эти понятия, а, как это часто случается в физике, просто оказался тем, в честь кого они были названы.
(приложение 2)
Считалось, что поле Хиггса несет ответственность за то, что частицы, которые иметь массу не должны, ею обладали. Это универсальная среда, наделяющая частицы без массы различными массами. Такое нарушение симметрии объясняют по аналогии со светом – все длины волн движутся в вакууме с одинаковой скоростью, в призме же каждая длина волны может быть выделена. Это, конечно, некорректная аналогия, так как белый свет содержит все длины волн, но пример показывает, как представляется создание полем Хиггса массы благодаря нарушению симметрии. Призма ломает симметрию скорости различных длин волн света, разделяя их, и поле Хиггса, как полагают, ломает симметрию масс некоторых частиц, которые в противном случае симметрично безмассовы.
Бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью физики элементарных частиц. Расположен в области массы-энергий 125 ГэВ, не имеет спина, и может распадаться на множество более легких элементов – пар фотонов, фермионов и т. д. Благодаря этому можно уверенно говорить о том, что бозон Хиггса, является частицей, дающей массу всему. Разочаровало стандартное поведение новооткрытого элемента. Если бы его распад хоть немного отличался, он был бы связан с фермионами иначе, и возникли бы новые направления исследований. С другой стороны, это означает, что мы ни на шаг не продвинулись за пределы Стандартной модели, которая не учитывает гравитацию, темную энергию, темную материю и другие причудливые явления реальности. Сейчас можно только догадываться о том, чем они вызваны. Наиболее популярна теория суперсимметрии, которая утверждает, что каждая частица Стандартной модели имеет невероятно тяжелогосуперпартнера (таким образом, составляя 23 % Вселенной – темной материи). Обновление коллайдера с удвоением его энергии столкновений до 13 ТэВ, вероятно, позволит обнаружить эти суперчастицы. В противном случае суперсимметрии придется подождать постройки более мощного преемника LHC.
Масса частицы равна 125,09 ± 0,24 ГэВ (новое совместное значение массы CMS и ATLAS). Существовавшие раньше расхождения между разными измерениями постепенно сходят на нет.
Ширина распада < 22 МэВ, что всего в 6 раз превышает ширину стандартного бозона Хиггса. Такой результат (в сто раз лучше, чем в 2013 году!) удалось получить с помощью нового метода измерения ширины.
Бозон Хиггса имеет нулевой спин, положительная четность (0+); частица является истинным скаляром, все прочие варианты исключены.
Каналы распада в пределах погрешностей совпадают или незначительно отличаются от предсказаний Стандартной модели. Подозрительное расхождение между ATLAS и CMS уменьшается. Двухфотонный распад, наделавший много шума в первый год работы коллайдера, теперь стал совершенно стандартным.
Отклонения : в новых результатах наблюдаются, впрочем, некоторые отклонения от Стандартной модели. Они вызывают определенный интерес, но пока недостаточны для громкого заявления. Наиболее любопытным пока является сообщение о распаде H → τ+μ– (2,4σ).
Связь с частицами в пределах погрешностей совпадает с ожиданиями Стандартной модели.
(приложение 2)
На LHC имеется четыре основных механизма рождения бозона Хиггса, и все они начинают проступать в данных. Их относительные вероятности не противоречат Стандартной модели, за исключением ttH-канала рождения, который примерно втрое превышает ожидания СМ (статистическая значимость, правда, невелика — 1,8σ).
Свойства бозона Хиггса
1. Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации.
2. Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц).
3. Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом.
4. Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками.
5. Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.
Известный ученый Стивен Хокинг утверждает, что опыты с бозоном Хиггса могут уничтожить время и пространство. Дальнейшие опыты чреваты распадом вакуума.
С предупреждением о крайней опасности для всей Вселенной дальнейших высокоэнергетических опытов с бозоном Хиггса предупредил известный британский физик-теоретик Стивен Хокинг.
По его мнению, бозон способен вызвать исчезновение двух фундаментальных основ мироздания - привычных для человека времени и пространства. "Бозон Хиггса имеет очень опасный потенциал: в случае вхождения в состояние повышенной нестабильности он может привести к распаду вакуума", - считает Хокинг.
Данное положение содержится в предисловии, которое британский ученый написал для новой книги "Starmus", которая выйдет в свет в октябре. Книга представляет собой сборник лекций ведущих физиков. Выводы знаменитого британского ученого широко цитируют во вторник европейские СМИ.
Ложный вакуум - состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с минимальной энергией, но стабильно в течение определенного времени. Материя, которая находится в ложном вакууме, может "туннелировать" в состояние истинного вакуума.
(приложение 2)
В основе новейшей концепции Хокинга лежит гипотеза о квантовом распаде вакуума. Она предполагает, что существует два вида вакуума с различными уровнями энергии. Предполагается, что наша Вселенная находится в так называемом ложном вакууме.
Согласно гипотезе, существует и другой, истинный вакуум, с наименьшим из возможных показателем энергии.
По мнению Хокинга, в ходе эксперимента в земных условиях может быть создан нестабильный бозон Хиггса, который станет своеобразным тоннелем между ложным и истинным вакуумом. В результате пролома в поле Хиггса вся Вселенная перейдет в иное физическое состояние. При этом данный переход будет мгновенным. Однако вызвать нестабильность бозона Хиггса современной наукой практически невозможно. Согласно подсчетам Хокинга, для этой цели необходима энергия 100 млрд ГэВ (гигаэлектронвольт).
Для того чтобы достичь данного энергетического уровня при имеющемся научном оборудовании, необходим ускоритель, по размерам сопоставимый с Землей.
Существование бозона Хиггса было постулировано в 1964 году британским физиком Питером Хиггсом. Однако только два года назад это теоретическое предположение нашло свое подтверждение в серии опытов на ускорителе заряженных частиц - Большом адронном коллайдере в Европейском совете ядерных исследований.
Бозон Хиггса представляет собой квант поля Хиггса. Последнее обладает ненулевым вакуумным значением. Именно поэтому, по мнению Хокинга, существует опасность, что создание нестабильного бозона может разрушить равновесие, возникшее в ходе образования Вселенной.
Несмотря на утверждения многих ученых, новая частица все-таки имеет практическое применение.
В Стандартной модели физики элементарных частиц существование Бозона Хиггса объясняет происхождение спонтанного нарушения электрослабой симметрии в природе.
Известно, что бозоны Хиггса ответственны за массу некоторых частиц. Поскольку поле Хиггса отвечает за массу элементарных частиц, то с помощью него можно менять массу предметов.
Исходя из этого, мы может варьировать напряженность хиггсовский полей. Достаточно сделать нейтрализатор этого поля и оснастить им самолеты и другие летательные средства.
По сути, этот летательный аппарат-ничего не весит! Таким образом, можно сделать их легче и сэкономить топливо!
III. Заключение
Что касается практического применения, то механизм наделения массой с помощью бозонов Хиггса демонстрирует появление массы у векторных бозонов в теории электрослабых взаимодействий. Позднее с помощью этого механизма в теорию ввели массы кварков и заряженных лептонов, а также безмассовостьглюонов.
Величайший шаг науки.
Открытие Хиггсовского бозона- это не просто открытие еще одной частицы, а открытие по-настоящему нового типа материи. До этого физика имела дело лишь с частицами вещества , либо с частицами-перенсчиками взаимодействия, квантами силовых полей. Но Бозон Хиггса не является ни тем, ни другим; это “кусочек” хиггсовского поля, которе является совсем иной субстанцией и занимает совсем иное место в устройстве нашего мира.
Открытие бозона Хиггса, определенно, одно из главных открытий 21 века. Его открытие - огромный шаг в понимании устройства мира. Если бы не он, все частицы были бы безмассовыми, как фотоны, не существовало бы ничего, из чего состоит наша материальная Вселенная. Бозон Хиггса - шаг к пониманию того, как устроена вселенная. Бозон Хиггса даже назвали частицей бога или проклятой частицей. Впрочем, сами ученые предпочитают называть его бозоном бутылки шампанского. Ведь такое событие, как открытие бозона Хиггса, можно отмечать годами.
Список литературы и интернет-ресурсов
http://www.poznavayka.org/fizika/bozon-higgsa-chastitsa-boga-ili-nauchnaya-mistifikatsiya/
http://spacegid.com/bozon-higgsa.html
http://light-science.ru/fizika/bozon-higgsa.html
http://www.modcos.com/articles.php?id=34
http://fb.ru/article/248476/teorii-vozniknoveniya-vselennoy-skolko-suschestvuet-teoriy-vozniknoveniya-vselennoy-teoriya-bolshogo-vzryiva-vozniknovenie-vselennoy-religioznaya-teoriya-vozniknoveniya-vselennoy
https://elementy.ru/LHC/HEP
https://ria.ru/20150714/1128809037.html